كيوبتان: CNOT والتشابك
الدرس 8 من 23 في دورة «الكم». مجاني، مع رسوم متحركة واختبار.
كيوبتان، أربع خانات
للكيوبت الواحد خياران: 0 و1. للاثنين أربعة: 00 و01 و10 و11، وللثلاثة ثمانية. ولكل تركيبة سعتها. هذا هو التضاعف من الدرس السابق وقد صار مرئيًا. البوابة على كيوبت واحد تغيّر السعات في كل الخانات التي يشارك فيها. من هنا ينشأ انطباع أن الحاسوب الكمي «يحسب كل شيء دفعة واحدة»، لكن كما نعرف لا يمكن قراءة سوى خانة واحدة.
CNOT: بوابة «إذا… إذن»
لكي تؤثر الكيوبتات في بعضها تحتاج بوابة تعمل على اثنين معًا. أهمها CNOT أي «لا المتحكَّم بها». الكيوبت الأول يتحكم والثاني هدف. إذا كان المتحكم 0 لا يحدث شيء، وإذا كان 1 ينقلب الهدف كأنه تلقى بوابة X. في الجدول يبدو هذا منطقًا عاديًا. يبدأ السحر حين يكون الكيوبت المتحكم نفسه في تراكب: عندها يكون الهدف مقلوبًا وغير مقلوب في آن.
وصفة التشابك: H + CNOT
خذ كيوبتين في 0. ضع H على الأول فيصبح 50/50. ثم CNOT يتحكم فيها الأول بالثاني. النتيجة: «كلاهما 0» و«كلاهما 1» في آن. تقيس فتحصل على 00 أو 11 باحتمال متساوٍ، لكن أبدًا لا 01 ولا 10. هذا زوج بيل، التشابك نفسه من المستوى الأول، لكنك الآن تعرف كيف تبنيه. ثلاثة أسطر من الكود ويعمل على شريحة حقيقية.
جرّب على عتاد حقيقي
في مايو 2016 وصلت IBM معالجًا كميًا من خمسة كيوبتات بالإنترنت، فصار بإمكان أي شخص تشغيل دارات عليه. اليوم هو IBM Quantum Platform: الخطة المجانية تمنح 10 دقائق على شريحة حقيقية كل 28 يومًا. يبدو هذا قليلًا، لكن دارة بألف تكرار تستغرق ثواني. يمكنك بناؤها بالفأرة في محرر أو كتابتها بـPython مع مكتبة Qiskit. زوج بيل هو التمرين الأول الكلاسيكي.
لماذا تعطي الشريحة إجابات «زائدة»
شغّل زوج بيل على شريحة حقيقية وسترى أنه إلى جانب 00 و11 تظهر أحيانًا 01 و10. هذا ليس خطأ في دارتك بل ضجيج. الحرارة والكيوبتات المجاورة وعدم دقة النبضات تدفع الكيوبتات قليلًا، والقياس يخطئ أحيانًا. كل خطأ صغير، لكنها تتراكم في الدارة الطويلة. مكافحة الضجيج هي المهمة الأولى للصناعة كلها، وفي هذه الدورة مستوى كامل عنها.
تشبيك 120 كيوبتًا
الوصفة قابلة للتوسع: H واحدة ثم سلسلة CNOT من كيوبت إلى آخر، فتصير كلها في حالة «كلها أصفار أو كلها آحاد». تسمى حالة GHZ نسبة إلى ثلاثة فيزيائيين: غرينبرغر وهورن وتسايلينغر. إنها اختبار ضغط جيد: كلما زادت الكيوبتات زاد الضجيج. في 2025 بنى فريق IBM حالة كهذه من 120 كيوبتًا بدقة 0.56، وهذا فوق عتبة 0.5، أي أنها كلها متشابكة فعلًا.
اختبر نفسك
- ماذا تعطي CNOT إذا كان المتحكم 1 والهدف 0؟
الإجابة الصحيحة: 11. المتحكم 1، إذن ينقلب الهدف: 0 يصبح 1، والمتحكم لا يتغير. النتيجة 11. - أظهر الكيوبت الأول من زوج بيل 1. ماذا سيُظهر الثاني؟
الإجابة الصحيحة: 1 أيضًا. H + CNOT تعطي 00 أو 11 فقط. ما دام الأول 1 فالثاني 1 أيضًا. - على شريحة حقيقية يعطي زوج بيل أحيانًا 01. ماذا يعني ذلك؟
الإجابة الصحيحة: إنه ضجيج العتاد؛ وهذا طبيعي ما دامت لا توجد تصحيح أخطاء. بضعة في المئة من الإجابات «الزائدة» أمر معتاد في شرائح اليوم. إنه ضجيج وليس دارة معطلة.